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变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究

作　者: 林成武
导　师: 王凤翔
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 变速恒频风力发电双馈发电机励磁控制
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

风力发电正在以前所未有的速度发展,变速恒频风力发电是一项新技术。进行变速恒频风力发电机控制技术研究,对提高我国风力发电的技术水平与开发具有自主知识产权的风电机组具有重要的意义。在总结国内外相关技术研究的基础上,根据我国对变速恒频风力发电关键技术的需求,本文对变速恒频双馈风力发电机的励磁控制技术进行了系统深入的研究。主要内容如下: 运用定子磁场定向矢量控制的分析方法,在dq轴同步旋转坐标系统下建立了双馈电机输出功率与电机和励磁控制参数的数学表达式,有效地反映了转子励磁电流的幅值、相位、频率对输出功率的控制作用。功率控制模型和仿真结果表明:双馈电机输出有功功率中的异步分量和无功功率的不可控分量具有感应电机的特点,而有功功率中的同步分量和无功功率的可控分量则具有同步电机的特点。该分析方法揭示了双馈电机的运行特点和控制特性,为其励磁控制技术的研究奠定了理论基础。功率因数不仅便于观测,而且能反映有功和无功功率的分配关系及电机的励磁状况。本文首次提出以功率因数作为主要观测量的双馈电机励磁控制策略,推导了功率因数与转子电压和电机参数之间的关系式,分析了参数变化对功率因数和输出功率的影响,为变速恒频风力发电机励磁控制技术的研究提供了一种新的方法。首次建立了采用dq轴同步旋转坐标系的变流器数学模型。该模型不仅反映了转子励磁系统的硬件结构和控制参数,而且建立了与双馈电机模型的联系,便于进行整个风电机组的系统分析。建立了包括变浆距风力机、双馈发电机以及变速恒频控制系统在内的风电机组模型,进行了系统仿真,研究了不同运行状态下的双馈发电机的功率优化控制策略。研究了转子励磁系统变流器的波形优化技术。提出了一种基于8XC196MC单片机的SPWM(正弦波脉宽调制)简捷控制算法。通过对载波比选取原则与计算公式的改进,可使变流器输出波形三相对称,谐波分量减少。样机实验结果验证了该项SPWM控制技术的实用性。本文还对变速恒频双馈发电机励磁控制技术进行了比较深入的实验研究。研制了基于80C196MC单片机控制的双馈发电机模拟控制系统,实现了实验系统的变速恒频与软并网。针对跨越同步速的控制难点,提出了“交-直-交”和“交-交”两种控制模式进行亚同步、同步和超同步三种运行状态的转换,并进行了实验研究。实验结果表明所提出的控制算法和控制技术是可行的,为大型双馈风力发电机的励磁控制技术研究打下了基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 课题背景  11-13
  1.2 变速恒频风力发电机组的应用现状  13-16
  1.3 双馈发电机励磁控制技术的发展  16-19
  1.4 变速恒频双馈发电机励磁系统的关键技术和研究热点  19-20
  1.5 论文的主要工作  20-23
2 变速恒频双馈风力发电机定子磁场定向矢量控制  23-52
  2.1 引言  23
  2.2 变速恒频双馈风力发电机组的结构特点与工作原理  23-25
  2.3 双馈电机在三相静止坐标系(abc)下的数学模型  25-28
  2.4 双馈电机定子磁场定向矢量控制原理  28-32
  2.5 双馈发电机的功率传递关系  32-35
  2.6 双馈发电机的功率因数调节特性  35-39
    2.6.1 功率因数调节特性分析  35-36
    2.6.2 功率因数控制模型  36-39
  2.7 双馈发电机的功角特性  39-42
  2.8 双馈发电机有功功率和无功功率的矢量控制  42-47
  2.9 双馈发电机机械特性的矢量控制  47-49
  2.10 转子励磁电压的控制  49-51
  2.11 小结  51-52
3 变速恒频风力发电机励磁系统逆变技术研究  52-69
  3.1 引言  52
  3.2 SPWM信号的产生与控制  52-57
    3.2.1 8XC196MC单片机的基本性能  53
    3.2.2 SPWM的参数计算  53-55
    3.2.3 实验结果分析  55-57
  3.3 SPWM约束条件的研究  57-62
    3.3.1 调制度  57-59
    3.3.2 线性调制(M≤1)  59-60
    3.3.3 过调制(M＞1)  60-62
  3.4 SPWM波形的优化  62-68
    3.4.1 TPWM的波形分析  63-64
    3.4.2 实验结果分析  64-67
    3.4.3 载波比的选取原则  67-68
  3.5 小结  68-69
4 变速变桨距风电机组建模与控制技术研究  69-100
  4.1 引言  69
  4.2 变速变桨距风电机组的数学模型  69-77
    4.2.1 变速变桨距风电机组模型结构  69-70
    4.2.2 风速模型  70-71
    4.2.3 风力机模型  71-74
    4.2.4 励磁控制器模型  74-76
    4.2.5 双馈发电机控制模型  76
    4.2.6 变桨距控制模型  76-77
  4.3 双馈发电机励磁控制系统的控制策略研究  77-84
    4.3.1 双馈风力发电机励磁控制策略分析  77-79
    4.3.2 基于定子功率因数的励磁控制策略研究  79-84
  4.4 低于额定风速时的双馈发电机励磁控制策略  84-90
    4.4.1 低于额定风速时双馈风力发电机的运行特点  84-86
    4.4.2 低于额定风速时的励磁控制策略  86-87
    4.4.3 控制过程分析  87-88
    4.4.4 最佳风能捕获的控制算法  88-90
  4.5 高于额定风速时的双馈发电机励磁控制策略  90-93
    4.5.1 基本控制策略和系统框图  91-92
    4.5.2 高于额定风速时的恒功率励磁控制算法  92-93
  4.6 双馈发电机励磁控制系统仿真  93-99
  4.7 小结  99-100
5 VSCF双馈发电机模拟系统设计与实验研究  100-108
  5.1 引言  100
  5.2 励磁控制系统的基本功能  100-101
  5.3 双馈风力发电机的变速恒频控制  101-102
  5.4 VSCF双馈风力发电机的恒定电压控制  102-103
  5.5 VSCF双馈发电机并网控制  103-104
  5.6 三态转换控制技术  104-106
  5.7 功率因数测量与控制  106-107
  5.8 小结  107-108
结论  108-110
参考文献  110-117
在学位研究成果  117-119
致谢  119

变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究

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